Как искусственный интеллект помогает отследить неуловимую птицу, «Загадку Тихого океана»

Обитающий на тихоокеанском побережье США длинноклювый пыжик (Brachyramphus marmoratus) долгое время оставался одной из самых таинственных птиц Северной Америки. Исследователи из США и Канады часто называли его «Загадкой Тихого океана» («The Enigma of the Pacific»).

Ученые знакомы с этой морской птицей с 1789 года, однако место гнездования пыжика оставалось неизвестным на протяжении столетий. Лишь в 1974 году по счастливой случайности сотрудник одной энергокомпании высоко на дереве в старом лесу обнаружил гнездо пыжика. К счастью, применение искусственного интеллекта теперь значительно упрощает изучение данной «загадки».

Почему так сложно изучать длинноклювого пыжика

Эта птица представляет собой настоящий вызов для исследователей. На море она мгновенно ныряет при малейшей опасности, а на суше гнездится высоко в кронах старых деревьев, покрытых мхом. Пыжики способны развивать скорость до 98 миль в час (около 158 км/ч) при перелетах между гнездами и т.н. кормовой территорией в океане.

Традиционные методы изучения этих птиц были крайне трудоемкими и дорогостоящими. Ученым приходилось выходить в море на судах и использовать гидрокостюмы, чтобы поймать нескольких пернатых. На них устанавливались геолокаторы, что впоследствии позволяло биологам определить места их гнездования. Кроме больших расходов, этот метод исследования подвергался критике как избыточно инвазивный — подобный контакт с человеком мог повлиять на дальнейшее поведение птиц.

Здесь у читателя может возникнуть вопрос о необходимости изучения длинноклювого пыжика. Пристальное внимание к этим пернатым вызвано тем, что Brachyramphus marmoratus относится к исчезающим видам. По оценкам ученых, популяция пыжика в штатах Калифорния, Орегон и Вашингтон за период наблюдений сократилась на ~ 90%, и она продолжает сокращаться. Причины этого до сих пор не ясны. Исследователи пытаются выяснить, связано ли снижение численности с вырубкой лесов вблизи тихоокеанского побережья, или всему виной какие-то другие факторы.

Как ИИ изменил ситуацию

Революционный прорыв в изучении длинноклювого пыжика произошел благодаря объединению современных технологий: пассивного акустического мониторинга и искусственного интеллекта. Исследователи из Университета штата Орегон и Лесной службы США развернули масштабную сеть высококачественных микрофонов в лесах Орегона и Вашингтона.

Только за 2023 год для изучения и отслеживания 80 видов было собрано более двух миллионов часов звукозаписей на площади свыше 1 млн км². Очевидно, что прослушать такой объем данных вручную невозможно — два сотрудника, работающие полный рабочий день, потратили бы около двух лет на анализ всего 150 000 часов записей.

Решением стало использование сверточных нейронных сетей — особого типа машинного обучения. Звуковые записи преобразуются в спектрограммы, где каждый вид птиц оставляет свой уникальный «звуковой отпечаток». Алгоритм обучили распознавать характерное щебетание пыжика среди множества других лесных звуков. В итоге получился способ исследования с целым рядом преимуществ:

• Масштабируемость — система потенциально может одновременно отслеживать более 100 различных видов птиц;
• Точность — по данным исследователей, ИИ обнаруживает на аудиозаписях на 20-60% больше видов птиц, чем один обученный человек в роли слушателя;
• Неинвазивность — птицы не подвергаются стрессу от прямого контакта с людьми;
• Экономичность — после первоначальных затрат на оборудование метод требует минимальных ресурсов. Раз в несколько недель исследователям необходимо менять аккумуляторы и карточки памяти в автономных микрофонах, распределённых по участкам леса.

Практическое применение

Новая технология может пригодиться не только ученым, но и лесной промышленности. Зная места гнездования этих охраняемых птиц, можно лучше планировать лесозаготовительные работы, соблюдая баланс между экономическими интересами и сохранением редких видов.

Технология продолжает развиваться. В данный момент в рамках стартапа Instinct разрабатываются решения для распознавания целевых видов пернатых в режиме реального времени. Это позволит оперативно реагировать на присутствие редких видов — например, временно приостанавливать вырубку леса или отпугивать хищников с ключевых территорий.

Таким образом, искусственный интеллект открывает новую эру в изучении и охране диких животных, позволяя собирать данные в беспрецедентных масштабах и с минимальным вмешательством в их естественную среду обитания.